EP0562294A1 - Optischer Faserkreisel - Google Patents
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- EP0562294A1 EP0562294A1 EP93102855A EP93102855A EP0562294A1 EP 0562294 A1 EP0562294 A1 EP 0562294A1 EP 93102855 A EP93102855 A EP 93102855A EP 93102855 A EP93102855 A EP 93102855A EP 0562294 A1 EP0562294 A1 EP 0562294A1
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- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
Definitions
- the present invention relates to a method and an arrangement for correcting the phases of those spectral lines selected from the output signal of a fiber ring interferometer, which are used for determining the Sagnac phase.
- the Sagnac phase can be derived with three or four spectral lines selected from the output signal of a fiber ring interferometer is e.g. from DE 40 03 326 A1 and EP 04 24 663 A1.
- the unadulterated phase positions (hereinafter referred to as target phases) of the individual spectral lines are required so that the real spectral lines determined by disturbances in their phase are projected on them can be.
- the target phases of the spectral lines are not constant in time, but experience a time-dependent drift.
- the Sagnac phase and the rotation rate derived from it would be falsified if the target phases, on which the projection of the real measured spectral lines is based, would not correspond to the actual target phases.
- the determined at a start time Target phases would have to be continuously corrected during the operation of the fiber ring interferometer.
- the invention is therefore based on the object of specifying a method and an arrangement of the type mentioned at the outset which bring about a phase correction of the spectral lines with little effort.
- two opposing light waves propagate, which interfere with one another in a beam splitter after emerging from the optical fiber.
- the interference depends on the rotation rate at which the optical fiber forming at least one turn is rotated.
- the rotation rate is proportional to the phase difference between the two light waves which have passed through the optical fiber in opposite directions.
- This phase difference which is referred to as the Sagnac phase, can be determined, as can be gathered from EP 04 24 663 A1 and DE 40 03 326 A1, from the amplitudes of the spectral lines of the interference light emerging from the optical fiber.
- the optical output signal of the optical fiber of a fiber ring interferometer is converted into an electrical signal in a known manner for further processing.
- I o indicates the intensity of the light fed into the optical fiber, ⁇ the Sagnac phase, ⁇ o the modulation index of the sinusoidal phase modulation carried out with the frequency f m and ⁇ the transit time of the light waves through the optical fiber.
- the measured variable to be determined, the rotation rate ⁇ of the fiber ring interferometer, is proportional to the Sagnac phase
- Equation (2) shows that the rotation rate ⁇ to be measured is directly dependent on the Sagnac phase ⁇ . It is therefore important to determine the Sagnac phase ⁇ from the output signal i (t) of the fiber ring interferometer.
- equation (4) can be described in a form suitable for signal evaluation.
- This output signal i (t) can be written into its individual spectral lines as follows:
- a prerequisite for determining the yaw rate ⁇ (t) from the output signal i (t) in equation (6) is that the time change in ⁇ (t) is so slow that for the bandwidth B ⁇ that can be calculated using the Fourier transformation, the Sagnac Phase applies: B ⁇ ⁇ f m .
- any spectral line can be separated from the spectral lines listed in (6), the frequencies of which are integer harmonics of the modulation frequency f m , with suitable filters and the Sagnac phase ⁇ (t) or the angular velocity ⁇ (t) can be determined therefrom .
- the amplitudes of the individual spectral lines indicated in (6) that can be picked up at the outputs of such filters are then:
- Each of the spectral lines listed in equation (6) is a complex quantity that can be represented as a pointer in a complex plane.
- Fig. 1 shows a pointer diagram in the complex level using the example of the first four spectral lines 1, 2, 3 and 4, which have the target phases ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 and ⁇ 4 determined at a start time.
- At least the target phase ⁇ 1 and ⁇ 3 for the first and third spectral line 1 ... 3 are previously derived from a spectral line whose amplitude depends on cos 2 ⁇ , which could be seen from equation (7), the second or fourth spectral line.
- the amplitudes of this spectral line are 2, 4 compared to the spectral lines dependent on s in 2 ⁇ 1, 3 much larger in the rotation rate range of interest.
- the measured phase can be ⁇ 2 or ⁇ 4 of the spectral line 2 or 4 assumed as the target phase and as a reference for the determination of the target phases ⁇ 1, ⁇ 3 for the other spectral lines 1 and 3 are used.
- the block diagram shown in FIG. 2 will now be used to describe how the correction values K1 (t), K3 (t), K4 (t) and finally the corrected target phases ⁇ 1k (t), ⁇ 3k (t), ⁇ 4k ( t) can be determined.
- a phase detector PD determines from the second spectral line 2 the current target phase, which is also the corrected target phase ⁇ 2k (t).
- All of the circuit means shown in FIG. 2 can be known analog circuits. However, the individual circuit functions are expediently cited by digital signal programs.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Korrektur der Phasen derjenigen aus dem Ausgangssignal eines Faserringinterferometers selektierten Spektrallinien, die für die Ermittlung der Sagnacphase herangezogen werden.
- Wie die Sagnacphase mit drei oder vier aus dem Ausgangssignal eines Faserringinterferometers selektierten Spektrallinien hergeleitet werden kann, geht z.B. aus der DE 40 03 326 A1 und der EP 04 24 663 A1 hervor. Die Ableitung der Sagnacphase und schließlich der dazu proportionalen Drehrate des Faserringinterferometers erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe von digital arbeitenden Schaltungsmitteln.
- Um durch elektrische und/oder optische Störungen hervorgerufene Fehler bei der Ermittlung der Sagnacphase möglichst gering halten zu können, benötigt man die unverfälschten Phasenlagen (nachfolgend Sollphasen genannt) der einzelnen Spektrallinien, so daß darauf die real ermittelten, durch Störungen in ihrer Phase verdrehten Spektrallinien projeziert werden können.
- Aufgrund von Temperatureinflüssen, denen das Faserringinterferometer ausgesetzt ist, sind die Sollphasen der Spektrallinien nicht zeitkonstant, sondern erfahren eine zeitabhängige Drift. Die Sagnacphase und die daraus abgeleitete Drehrate würden verfälscht, wenn nicht die Sollphasen, an denen sich die Projektion der real gemessenen Spektrallinien orientiert, den tatsächlich vorliegenden Sollphasen entspräche. Die zu einem Startzeitpunkt ermittelten Sollphasen müßten also während des Betriebes des Faserringinterferometers laufend korrigiert werden.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand eine Phasenkorrektur der Spektrallinien bewirken.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Eine zweckmäßige Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist dem Anspruch 3 zu entnehmen.
- Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert.
- Fig. 1 zeigt ein Zeigerdiagramm von vier Spektrallinien und
- Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild für die Herleitung der korrigierten Phasen der Spektrallinien.
- In der einen ringförmigen Lichtweg bildenden Lichtleitfaser eines Faserringinterferometers breiten sich zwei gegenläufige Lichtwellen aus, die nach dem Austritt aus der Lichtleitfaser in einem Strahlteiler miteinander interferierten. Die Interferenz hängt von der Drehrate ab, mit der die mindestens eine Windung bildende Lichtleitfaser gedreht wird. Der Drehrate ist die Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtwellen, welche die Lichtleitfaser in entgegengesetzte Richtungen durchlaufen haben, proportional.
- Diese Phasendifferenz, sie wird als Sagnac-Phase bezeichnet, läßt sich, wie der EP 04 24 663 A1 und der DE 40 03 326 A1 zu entnehmen ist, aus den Amplituden der Spektrallinien der aus der Lichtleitfaser austretenden Interferenzlichts bestimmen.
-
- In dieser Beziehung gibt Io die Intensität des in die Lichtleitfaser eingespeisten Lichts, φ die Sagnac-Phase, ψo den Modulationsindex der mit der Frequenz fm durchgeführten sinusförmigen Phasenmodulation und τ die Laufzeit der Lichtwellen durch die Lichtleitfaser an.
Die zu ermittelnde Meßgröße, die Drehrate Ω des Faserringinterferometers, ist proportional zur Sagnac-Phase - Hier ist λ die Wellenlänge des in die Lichtleitfaser eingespeisten Lichts, c die Lichtgeschwindigkeit, A die von der Lichtleitfaser umschlossene Fläche und N die Anzahl der Lichtleitfaserwindungen.
Die Gleichung (2) zeigt also, daß die zu messende Drehrate Ω direkt von der Sagnac-Phase φ abhängt. Es gilt also, die Sagnac-Phase φ aus dem Ausgangssignal i(t) des Faserringinterferometers zu ermitteln.
Mit den Additionstheroremen
und den Abkürzungen
folgt aus Gleichung (1)
und daraus mit
-
-
- Hierin sind die Faktoren Jn(2ψ) mit n = 0,1,2,... die Werte der Besselfunktionen 1. Art der n-ten Ordnung für das Argument
Voraussetzung für die Bestimmung der Drehrate Ω (t) aus dem Ausgangssignal i(t) in Gleichung (6) ist, daß die zeitliche Änderung von Ω (t) so langsam erfolgt, daß für die über die Fouriertransformation berechenbare Bandbreite Bφ der Sagnac-Phase gilt:
- In diesem Fall läßt sich von den in (6) aufgeführten Spektrallinien, deren Frequenzen ganzzahlige Harmonische der Modulationsfrequenz fm sind, jede beliebige Spektrallinie mit geeigneten Filtern separieren und daraus die Sagnac-Phase φ(t) bzw. die Winkelgeschwindigkeit Ω(t) bestimmen. Die an den Ausgängen solcher Filter abgreifbaren Amplituden der einzelnen in (6) angegebenen Spektrallinien sind dann:
- Wie aus diesen Amplituden der Spektrallinien die Sagnacphase berechnet werden kann, soll hier nicht näher beschrieben werden. Hierzu sei auf die zuvorgenannten EP 0 424 663A und DE 40 03 326 A1 verwiesen.
- Jede der in Gleichung (6) aufgeführten Spektrallinien ist eine komplexe Größe, die sich als Zeiger in einer komplexen Ebene darstellen läßt. Die Fig. 1 zeigt ein Zeigerdiagramm in der komplexen Ebene am Beispiel der ersten vier Spektrallinen ₁, ₂, ₃ und ₄, welche die zu einem Startzeitpunkt ermittelten Sollphasen α₁, α₂, α₃ und α₄ haben.
-
- Wegen der Abhängigkeit vom cos 2 φ sind die Amplituden dieser Spektrallinie ₂, ₄ gegenüber den von s in 2 φ abhängigen Spektrallinien ₁, ₃ in dem interessierenden Drehratenbereich viel größer. Auf Spektrallinien ₂, ₄ mit großen Amplituden wirken sich Störungen weiniger gravierend aus, so daß deren Phasen von den ungestörten Sollphasen auch nur geringfügig abweichen. Deshalb kann durchaus die gemessene Phase α₂ bzw. α₄ der Spektrallinie ₂ bzw. ₄ als Sollphase angenommen und als Referenz für die Bestimmung der Sollphasen α₁, α₃ für die anderen Spektrallinien ₁ und ₃ herangezogen werden.
- Aus der Gleichung (6) geht hervor, daß
ist, wenn z.B. die Phase α₂ der zweiten Spektrallinie als Referenzphase genommen wird. So lassen sich also aus der gemessenen Sollphase α₂ der zweiten Spektrallinie ₂ die Sollphase der anderen für die Bestimmung der Sagnacphase heranszuziehenden Spektrallinien ableiten. - Die soeben aufgeführten Sollphase α₁, α₂, α₃, α₄ seien zu einem Startzeitpunkt t = 0 bestimmt worden. Nun ändern sich aber, wie einleitend dargelegt, die Sollphasen im Lauf der Zeit. Die jeweils aktuellen korrigierten Sollphasen α1k(t), α3k(t), α4k(t) ergeben sich aus den um einen Korrekturwert K1(t), K3(t), K4(t) ergänzten Sollphasen α₁, α₃, α₄ zum Startzeitpunkt t = 0:
Anhand des in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbildes soll nun beschrieben werden, wie die Korrekturwerte K1(t), K3(t), K4(t) und schließlich die korrigierten Sollphasen α1k(t), α3k(t), α4k(t) ermittelt werden. -
- Eine die Differenz zwischen der Sollphase α₂ zum Startzeitpunkt t = 0 und der aktuellen Sollphase α2k(t) bildende Schaltung S1 stellt drei Multiplizierern M1, M2 und M3 parallel die Phasenablage
zur Verfügung. Die Multiplizierer M1, M2, M3 vervielfachen diese Phasenablage d P2(t) mit den Faktoren 0,5, 1,5 und 2,0, woraus die Korrekturwerte
hervorgehen. - Summierer S2, S3, S4 addieren gemäß Gleichung (9) zu den einzelnen zum Startzeitpunkt (t = 0) ermittelten Sollphasen α₁, α₃, α₄ die entsprechenden Korrekturwerte K1(t), K3(t), K4(t) nach Gleichung (11), so daß man schließlich an den Ausgängen der Summierer S2, S3, S4 die korrigierten Sollphasen
erhält. - Alle die in Fig. 2 aufgeführten Schaltungsmittel können an sich bekannte analoge Schaltungen sein. Zweckmäßigerweise werden aber die einzelnen Schaltungsfunktionen von digitalen Signalprogrammen angeführt.
Claims (3)
- Verfahren zur Korrektur der Phasen derjenigen aus dem Ausgangssignal eines Faserringinterferometers selektierten Spektrallinien, die für die Ermittlung der Sagnacphase herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase (α₂) einer vom Kosinus der Sagnacphase abhängigen Spektrallinie (₂) zu einem Startzeitpunkt gemessen wird, daß in gewissen Zeitabständen die Phase (αLk) erneut gemessen und jeweils die Ablage der aktuellen Phase (α2K) von der Phase (α₂) zum Startzeitpunkt ermittelt wird, und daß zu der zum Startzeitpunkt vorliegenden Phase (α₁, α₃, α₄) einer jeden Spektrallinie ein Korrekturwert addiert wird, welcher der zuvor ermittelten Phasenablage proportional ist.
- Anordnung zur Korrektur der Phasen derjenigen aus dem Ausgangssignal eines Faserringinterferometers selektierten Spektrallinien, die für die Ermittlung der Sagnacphase herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet,
daß erste Mittel (PD) vorhanden sind, welche in gewissen Zeitabständen die aktuelle Phase (α2k) einer vom Kosinus der Sagnacphase abhängigen Spektrallinie messen, daß zweite Mittel (S1) die Ablage zwischen der aktuellen Phase (α2k) und der zu einem Startzeitpunkt gemessenen Phase (α₂) bestimmen, daS vierte Mittel (S2, S3, S4) vorhanden sind, welche zu der zum Startzeitpunkt vorliegenden Phase (α₁, α₃, α₄) einer jeden Spektrallinie einen Korrekturwert addieren, welcher der von den zweiten Mitteln (S1) bestimmten Phasenablage proportional ist.
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CN112525219A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-19 | 湖南航天机电设备与特种材料研究所 | 一种光纤陀螺启动时间的判定方法及*** |
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- 1993-02-24 EP EP93102855A patent/EP0562294B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1993-02-24 DE DE59302781T patent/DE59302781D1/de not_active Expired - Fee Related
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CN112525219B (zh) * | 2020-11-23 | 2022-07-15 | 湖南航天机电设备与特种材料研究所 | 一种光纤陀螺启动时间的判定方法及*** |
Also Published As
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EP0562294B1 (de) | 1996-06-05 |
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